● 摘要
随着航空航天技术的发展，钛合金大型金属结构件的应用也日趋广泛。由于大型金属结构件中不同部位的应力分布不同，设计并制备在不同部位具有不同的显微组织和力学性能的梯度结构材料（Graded Structural Material, GSM），可以满足大型结构件各个部位对力学性能的不同需求。由于传统工艺只能制备一些形状简单的梯度材料，使梯度结构材料的发展受到了一定的限制。激光熔化沉积技术可以通过控制输送粉末的成分使得沉积材料的不同部位具有不同的成分和组织，从而制备出形状复杂、大尺寸、成分控制精确的梯度结构材料。本文利用激光熔化沉积技术制备出了尺寸为70mm×60mm×420mm的TA2/TA15梯度钛合金板状试样，研究了热处理对TA2/TA15梯度结构材料的化学成分、显微组织、显微硬度、室温拉伸性能及断裂机理的影响，结果表明：
1. 激光沉积态TA2/TA15梯度结构材料中TA15区由于激光熔化过程中的外延生长而具有粗大的定向柱状晶组织，显微组织为细小的网篮组织。TA2区由于室温下全为α相而使得原始柱状晶形貌在β 转变时全被α相破坏而具有近等轴晶凝固组织，显微组织为具有锯齿状边界的片状组织；
2. 激光沉积态TA2/TA15梯度结构材料由于沉积过程中的重熔导致梯度区化学成分呈阶梯状变化，梯度区宽约3mm，随着合金元素含量的增加，梯度区显微组织由片层状组织向网篮组织演化，显微硬度也随着合金元素的增加而逐渐增加；
3. 经过995℃/1h,AC+550℃/2h,AC热处理后，梯度区合金元素的扩散使得化学成分阶梯状变化特征消失。TA2区热处理后显微组织无明显变化。TA15区经过α+β两相区上部退火热处理后呈现初生α相叉形形貌特征。随着合金元素的增加，梯度区β转变温度(Tβ)逐渐升高，Tβ低于995℃的区域热处理后形成了典型的网篮组织，Tβ高于995℃的区域热处理后显微组织为少量的初生α相和β转变组织。所以热处理后梯度过渡区由粗大的α片层向β转变组织及叉形形貌初生α相过渡；
4. 激光沉积态TA2/TA15梯度结构材料的抗拉强度居于TA15和TA2之间，塑性与TA15相当，TA15区断口呈现深而等轴的韧窝形貌，TA2区断口表面呈现出大的拉长的韧窝形貌；
5. 热处理后TA2/TA15梯度结构材料强度无明显变化，塑性有所提高。TA15部分断口表面呈现小而浅的等轴韧窝形貌，TA2部分断口出现了大量的变形孪晶，在平行于孪晶处出现了微裂纹，孪晶界附近出现了裂纹核。TA2中由于缺乏滑移系，热处理后晶粒发生了长大而容易产生应力集中，孪晶在滑移受阻的高应力集中区形核长大，为裂纹的形核提供位置，使得TA2部分出现了很多的二次裂纹，提高了梯度材料的塑性。